Композиционные материалы с неметаллической матрицей

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

 

ДОНЕЦКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ  И ТОРГОВЛИ

 

имени МИХАИЛА ТУГАН-БАРАНОВСКОГО

 

 

КАФЕДРА ЭКСПЕРТИЗЫ НЕПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ  ТОВАРОВ

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

 

 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Материаловедения и основы технологи производства товаров народного потребления»

 

 НА ТЕМУ  «Композиционные материалы с неметаллической матрицей»

 

студентки      II курса            дневная форма обучения

 

специализация 6.050302 «Товароведение и экспертиза в  таможенном деле»

 

  КАПЛУНОВА ТАТЬЯНА ПЕТРОВНА

 

 

 

 

Научный руководитель

                                                                                                             АЛЕКСАНДРОВ В.М.

 

 

 

Донецк 2010

 

 

Содержание:

Введенние……………………………………………………………………………3

Раздел 1. Общие сведения и состав композиционных материалов с неметаллической матрицей……………………………………………………….4

Раздел 2. Свойства композиционных  материалов с полимерной

матрицей  …………………………………………………………………………….7

    2.1.  Стеклопластики………………………………………………………7

                2.2.  Карбоволокниты (Углепластики)……………………………….17

               2.3.  Бороволокниты………………………………………………………22

                2.4.  Органоволокниты……………………………………………………25

Раздел 3. Применение композиционных  материалов с неметаллической матрицей……………………………………………………………………………27

Выводы……………………………………………………………………………...30

Литература…………………………………………………………………………31

Приложение  А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Развитие различных отраслей промышленности потребовало разработки новых конструктивных материалов, в частности, композиционных материалов.Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. 

Композиционнык материалы, в зависимости от добавляемых компонентов, могут иметь различные задаваемые им свойства. Они могут быть прочными, жаропрочными, иметь различный модуль упругости, амбразивную стойкость и так далее.

 Композиционные материалы с  неметаллической матрицей очень нужны в современном строительстве, т. к. именно они имеют нужные свойства, необходимые для быстрого и качественного строительства различных сооружений. Композиционные материалы с неметаллической матрицей имеют огромное значение для: автомобилестроения, судостроения, авиационной и космической техники и т.д.

Целью данной работы является изучение композиционных материалов с неметаллической матрицей и установление их важности в практической деятельности.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- поиск литературы по данной  теме и ее детальное изучение;

- сопоставление полученного материала   из различных источников;

-  анализ использования композиционных  материалов с неметаллической  матрицей.

 

 

Раздел 1. Общие  сведения и состав  композиционных материалов с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы с  неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные  связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (Рис.1).

  

рис.1 -  Схемы армирования композиционных материалов.

 

Наибольшее  применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут  быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают  прочность на отрыв и сопротивление  сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных. Зависимость механических свойств композиционных материалов от схемы армирования приведена на Рис.2.

 

   

 

       Рис.2 - Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4- поперечная.

       Раздел 2. Свойства композиционных  материалов с полимерной матрицей.

   Основную часть композиционных  материалов на неметаллической основе составляют волокнистые материалы. Их название обычно включает характеристику наполнителя: карбоволокниты, бороволокниты, стеклопластики, органоволокниты. Композиционные материалы на неметаллической основе (полимеры) имеют следующие преимущества по сравнению с металлическими сплавами и композиционных материалов 

на металлической  основе: 
      

• механические свойства:

• высокая удельная прочность;
• высокая усталостная прочность;
• хорошие антифрикционные и амортизационные свойства; 
  

• химические свойства – высокая химическая стойкость;

• технологические свойства – хорошая обрабатываемость;
• экономические свойства – дешёвые исходные материалы.

           Общими недостатками композиционных  материалов на полимерной основе являются:

• резкая потеря прочности при температурах выше 100…200 С,
• горючесть,
• отсутствие способности к сварке.

    2.1.  Стеклопластики.

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя  и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств  обладают стеклопластики с неориентированным  расположением волокон: материалы  на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

Изделия из стеклопластика с ориентированным  расположением волокон изготавливают  методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием  либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

Примеры изделий  из стеклопластика

Стеклопластик применяют как конструкционный  и теплозащитный материал при  производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов  автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, выхлопных труб, деталей машин и приборов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.

Свойства  стеклопластиков

Стеклопластик обладает многими очень  ценными свойствами :

1. Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

2. Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

3. Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии.  Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

4. Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

5. Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

6. Теплоизоляционные свойства. Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.

7. Простота в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.